Verbundprojekt »QUEST«

Im Exzellenzcluster »Matter and Light for Quantum Computing« (ML4Q), der im Rahmen der Exzellenzstrategie der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG gefördert wird, arbeiten unter anderem die Universität zu Köln, die Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, das Forschungszentrum Jülich, die Lehrstühle für Lasertechnik LLT und für Technologie Optischer Systeme TOS der RWTH Aachen University sowie das Fraunhofer ILT zusammen an neuen Technologien für Quantenkommunikation und Quantencomputer. Das Cluster ML4Q bündelt die Expertise aus Festkörperforschung, Quantenoptik und Quanteninformation in NRW.

Langfristiges Ziel des Clusters sind Architekturen, in denen fehlertolerante Quantencomputer modular realisiert und optisch miteinander vernetzt sind. Unterschiedliche Qubit-Systeme, etwa Halbleiter-Spin-Qubits und Ionenfallen, lassen sich dabei photonisch koppeln. Intrinsisch emittieren die genutzten Qubits Photonen mit unterschiedlichen Wellenlängen. Für das Verknüpfen werden daher verschiedene Quanten-Frequenzkonverter benötigt, die jeweils spezielle Wellenlängen ineinander überführen.

Im September 2019 startete im Rahmen von ML4Q das Projekt »QUEST – Quantum Frequency Conversion of Photons Emitted by Spin Qubits to the Telecom Band«, in dem Wissenschaftler des Lehrstuhls TOS der RWTH Aachen University und des Fraunhofer ILT an der photonischen Kopplung von Halbleiter-Spin-Qubits arbeiten. Im Fokus von QUEST steht für die Aachener Forscher die Entwicklung von Quanten-Frequenzkonvertern, die die von Qubit-Systemen emittierten Photonen mit Wellenlängen im Bereich zwischen 800 nm und 900 nm zu solchen mit Wellenlängen im Bereich 1500 nm bis 1600 nm effizient umwandeln. Mit diesen Wellenlängen lassen sie sich später verlustarm in Glasfasern führen und in einem entsprechenden Netzwerk übertragen.

Effiziente, rauscharme Quanten-Frequenzkonverter

Ähnlich aufgebaute Laser-Frequenzkonverter wurden bereits entwickelt und haben sich etabliert, etwa bei Technologien für die Klimaforschung. Jedoch sind Anpassungen nötig, da die Konverter nun bei niedrigen Photonenraten eine hohe Effizienz bieten sollen, was bei bisherigen Systemen aufgrund hoher verfügbarer Intensitäten eine untergeordnete Rolle spielte.

Bei einstufiger Konversion ist für das untersuchte QFC-Design ein Pumplaser mit Wellenlänge bei etwa 2 µm erforderlich. Vorteilhaft ist dabei, dass nur wenig störende parametrische Prozesse auftreten und somit nicht viele Rauschsignale in das Ausgangssignal des Konverters gelangen.

Zunächst stehen robuste Laborsysteme für die Konverter im Vordergrund. Mit Simulationstools entwickeln die Wissenschaftler dazu ein fortgeschrittenes QFC-Modell und ermitteln optimale Parameter für das Design einzelner Komponenten. Anschließend geht es um den Aufbau eines mobilen Prototyps mit einer Gesamt-Quantenkonversionseffizienz von über 30% und gutem Signal-Rausch-Verhältnis. Der entwickelte Konverter wird dann im Institut für Quanteninformation der RWTH Aachen University in ersten Anwendungen getestet und evaluiert.

Später folgt die Faserkopplung für die Anbindung der Konverter an Qubits. Eine Herausforderung ist das gezielte Auffangen des von einem Qubit emittierten Lichts. Jedes Koppeln von Licht in Fasern hinein oder aus Fasern heraus bringt zudem nennenswerte Verluste mit sich. Bei der Entwicklung entsprechender Schnittstellen zwischen Qubit und Glasfaser wird daher auch erprobt, wie sich das von Qubits emittierte Licht am besten bündeln lässt. Denkbar für zukünftige Umsetzungen sind z. B. im Chip integrierte Wellenleiter-Strukturen, die das Licht direkt auffangen.